Generarea durabilă a energiei

Conf.dr.ing. Aurel Guu (Universitatea Tehnic a Moldovei) Dr.ing. Sergiu Pala (Universitatea Tehnic a Moldovei) Ing. Corina Guu (Institutul de Energetic al Academiei de tiine a Moldovei)

GENERAREA DURABIL A ENERGIEICiclu de prelegeriRealizat n cadrul Proiectului Tempus JEP 24 182-2003

Chiinu - 2007

Generarea durabil a energiei

CZU Lucrarea este destinat studenilor din cadrul programului de masterat Mediu i Tehnologii Curate, precum i studenilor de la facultatea de energetic.

Coordonator: conf.dr.ing. Aurel Guu Referent tiinific: conf.dr.ing. Nicolae Baboi

-2-

Cuprins1. Introducere............................................................................................................... 1.1. Scurt istoric al dezvoltrii energeticii.................................................................. 1.2. Surse de generare a energiei................................................................................ 1.3. Resurse primare de energie ................................................................................ 1.4. Aspectul socioeconomic al producerii energiei.................................................. 1.5. Aspectul ecologic................................................................................................ 1.6. Producerea durabil a energiei............................................................................ Probleme.............................................................................................................. Literatura recomandat........................................................................................ 2. Centrale hidroelectrice................................................................................... 2.1. Cureni de ap. Energia curenilor de ap.......................................................... 2.2. Amenajrile hidrocentralelor............................................................................... 2.3. Lacuri de acumulare: reglarea sarcinii................................................................ 2.4. Turbine hidraulice...............................................................................................2.4.1. Noiuni generale................................................................................................... 2.4.2. Tipuri de turbine..................................................................................................

66 7 10 11 12 14 14 18

1919 20 22 23 23 24 26 27 28 30 31 32 33

2.5. Eficiena CHE. 2.6. Instalaii pentru utilizarea energiei cinetice a curentului de ap......................... 2.7. Tipuri de hidrocentrale........................................................................................ 2.8.Aspectul ecologic al hidroenergeticii................................................................... 2.9.Aspectul economic al hidroenergeticii................................................................. Probleme.............................................................................................................. Literatura recomandat........................................................................................ 3. Combustibili i procese de ardere........................................................................... 34 3.1. Noiune de combustibil. Tipuri de combustibili.................................................. 34 3.2. Compoziia combustibililor; mase de combustibil.............................................. 353.2.1. Combustibili solizi i lichizi................................................................................ 35 3.2.2. Combustibili gazoi.............................................................................................. 35 3.3. Caracteristicile tehnice de baz ale combustibililor............................................ 36 3.3.1. Cldura de ardere; combustibili convenionali.................................................... 36 3.3.2. Caracteristici ale combustibililor solizi................................................................ 37 3.3.3. Caracteristici ale combustibililor lichizi.............................................................. 38 3.3.4. Caracteristici ale combustibililor gazoi.............................................................. 39 3.4. Arderea combustibililor; calculul procesului de ardere......................................... 40 3.4.1. Noiuni. Reacii de ardere................................................................................ 40 3.4.2. Calculul aerului necesar arderii....................................................................... 41 3.4.2.1. Combustibili solizi i lichizi. ................................................................... 41 3.4.2.2.Combustibili gazoi. .................................................................... 41 3.4.2.3. Coeficientul de exces de aer. ................................................................... 42 3.4.3.Calculul cantitii gazelor de ardere.................................................................. 42-3-


4.

3.4.4.Entalpia produselor arderii.................................................................... 3.4.5.Temperatura teoretic de ardere.................................................................... Probleme................................................................... Literatura recomandat....................................... Centrale Termoelectrice cu turbine cu abur...... 4.1. Ciclul Rankin al instalaiilor de turbine cu abur.. 4.2. Sporirea eficienei ciclului Rankin.................... 4.2.1. Metode de sporire a eficienei.................. 4.2.2. Mrirea parametrilor aburului la intrare n turbin.. 4.2.3. Reducerea temperaturii aburului la ieire din turbin.. 4.2.4. Supranclzirea intermediar a aburului... 4.2.5. Prenclzirea regenerativ a apei de alimentare... 4.2.6. Scheme cu termoficare................. 4.3. Cicluri binare....................................... 4.4. Scheme i caracteristici ale CTE....... 4.4.1. Scheme de CTE............................ 4.4.2. Caracteristicile centralelor electrice. 4.5. Turbine cu abur............................ 4.5.1. Generaliti........................... 4.5.2. Procese n treptele turbinei... 4.5.3. Treapta real. Pierderile de energie n treapt. 4.5.4. Bilanul energetic al turbinei. Debitul de abur. 4.5.5. Turbine cu mai multe trepte..... 4.5.6. Elemente de construcie a turbinelor.... 4.6. Instalaii de cazane...................... 4.6.1. Noiuni despre cazane. Schema tehnologic 4.6.2. Bilanul termic al cazanului. 4.6.3. Randamentul brut. Calculul consumului de combustibil. 4.6.4. Focarele cazanelor................ 4.6.5. Suprafeele de schimb de cldur ale cazanelor.. 4.6.6. Construcii de cazane........... 4.6.6.1.Cazane de ap fierbinte. 4.6.6.2.Cazane de abur............. 4.6.7. Utilajul auxiliar al instalaiilor de cazane. 4.7. Surse de energie termic............. 4.7.1. Centrale Termice.............. 4.7.2. Elemente de calcul a C T......................... 4.7.3. Centrale Electrice cu Termoficare...

44 45 45 48

4949 50 50 50 51 52 53 53 55 56 56 60 62 62 63 66 67 68 69 72 72 74 76 77 79 82 82 84 87 88 88 89 90 91 95

5

Probleme... Literatura recomandat........... ... Instalaii cu motoare termice cu gaze 97 5.1. Cicluri ale turbinelor cu gaze..... 975.1.1. Scheme i cicluri teoretice... 5.1.2. Instalaii reale de turbine cu gaze..... 5.1.3. Cicluri mixte gaz-abur..... 5.1.4. ITG cu cogenerare....-4-

97 99 101 103

5.2. Instalaii electrogeneratoare cu motoare cu piston...5.2.1. Generaliti....... 5.2.2. Eficiena ciclurilor MAI.... 5.2.3. Instalaii electrogeneratoare..... 5.2.4. Instalaii cu cogenerare....

Probleme....... Literatura recomandat.... 6. Energetica nuclear ........ 6.1. Noiuni generale.... 6.2. Scheme i utilaje ale CNE.... 6.3. Particularitile CNE.... Probleme.... Literatura recomandat.... 7. Partea electric a centralelor.... 7.1.Scheme de conexiuni pentru centrale electrice. 7.2.Elemente ale schemelor electrice....... 7.3.Serviciile proprii ale centralelor..... Probleme.... Literatura recomandat.. 8. Energetica neconvenional ...... 8.1. Generaliti.......... 8.2. Centrale Termoelectrice Solare ....... 8.3. Centrale Geotermale........................8.3.1. Energia geotermic.................... 8.3.2. entrale termice geotermale........ 8.3.3. Centrale Electrice Geotermale..... 8.3.4. Aspectul ecologic al utilizrii energiei geotermale.... 8.4. Centrale Termice i Termoelectrice pe biomas..... 8.4.1. Energia biomasei; direcii de utilizare..... 8.4.2. Centrale cu ardere direct a biomasei...... 8.4.3. Instalaii pe biocombustibili gazoi..... 8.4.4. Aspectul economic al utilizrii biomasei. 8.4.5. Aspectul ecologic al utilizrii biomasei.. 8.5. Generatoare electrochimice....... 8.6. Instalaii i Centrale termice cu pompe de cldur.... 8.6.1.Noiuni. Tipuri..... 8.6.2.Utilizri. Aspecte..... 8.7. Generarea distribuit a energiei.....

Probleme..... Literatura recomandat...... 9. Analiza termoeconomic a instalaiilor energogeneratoare. 9.1. Generaliti...... 9.2. Analiza energetic a instalaiilor ...... 9.3. Costul energiei...... 9.4. Analiza exergetic...... 9.5. Metoda exergoeconomic de analiz......-5-

104 104 105 109 110 111 112 113 113 113 116 117 118 119 119 120 125 127 128 129 129 130 133 133 134 135 138 138 138 139 142 143 144 145 146 146 148 150 152 156 157 157 158 161 162 165


Probleme...... Literatura recomandat.....

169 171

-6-


1. Introducere1.1. Scurt istoric al dezvoltrii energeticiiEtapele de valorificare a surselor de energie de ctre om n linii generale pot fi indicate urmtoarele: - mblnzirea focului pentru habitat: protecia contra animalelor, 500 mii ani H nclzirea, prepararea hranei etc. (China de nord) domesticirea animalelor de for (cai, boi etc.) valorificarea focului din biomas (lemn) n scopuri tehnologice: prelucrarea lemnului, arderea lutului pentru confecionarea ceramicii etc. (Orientul Apropiat) utilizarea energiei eoliene n scopuri de transport (corbii cu pnze) utilizarea crbunilor (China, Grecia Antic) utilizarea ieiului utilizarea energiei hidraulice (mori de ap n Roma Antic) dobndirea i utilizarea tehnologic a gazului natural (China) utilizarea motoarelor eoliene (mori de vnt n Persia) propunerea de ctre inginerul englez Eduard Somerset a variantei primitive a mainii cu abur patentarea mainii cu aburi de ctre James Watt inventarea generatorului electric de ctre Michael Faraday inventarea motorului cu ardere intern de ctre Etien Lenoir prima central electric construit de Tomas Edison n New-York prima central electric din Bucureti, Gara de Nord. turbina cu abur Lavall turbina cu gaze Armengaud prima central electric cu turbin cu gaze la Neuchatel, Elveia prima central nuclear construit n URSS 10 mii ani H 7 mii ani H

-

4 mii ani H 2 mii ani H 500 ani H 101 ani H primul mileniu e.n. 700 e.n. 1628 1769 1831 1860 03.09.1882 22.10.1882 1883 1903 1939 1954

-

-

-

1.2. Surse de generare a energieiSursele de generare a cldurii, de la nceputul dezvoltrii lor pn la sfritul secolului XIX, au avut un caracter autonom, fiind destinate pentru deservirea unui consumator. Acelai caracter au avut la nceput i generatoarele de energie electric, acionate manual sau de un motor mic cu ardere intern i destinate pentru iluminarea unei case, sau numai a unui salon.-6-

Introducere

Cu apariia reelelor electrice i a celor termice sursele au evoluat n centrale termice i, respectiv, electrice sau centrale electrice cu termoficare, puterile termice crescnd de le civa kilowai pn la sute de megawai, iar la cele electrice chiar i mii de megawai. Centralele fiind interconectate, au aprut sisteme de alimentare cu cldur n limitele unor localiti, orae, municipii, iar sistemele electroenergetice au cptat un caracter interstatal, unele extinzndu-se n limitele continentelor. Surse de cldur

combustibili

helio

geotermal

CT

CET

Figura 1.1. Tipurile surselor de energie termic.

O clasificare sumar a surselor de producere a energiei termice este prezentat n fig.1.1. Dup procesul tehnologic de obinere a cldurii ele pot fi separate n dou grupuri: centrale termice (CT) i centrale electrice de termoficare (CET). i CT i CET pot funciona utiliznd energia primar solar, geotermal sau a combustibililor (fosili, nuclear sau biomas). La instalaiile generatoare de cldur pot fi adugate pompele de cldur care, utiliznd energie mecanic sau electric, iar cele cu absorbie i energie termic, ridic potenialul redus al cldurii din sursele naturale sau tehnologice pn la nivelul necesar.

-7-


Instalaii i centrale de producere a energiei electrice

termo

hidro

eolo

ruri

maree

cureni maritimi

combustibili fosili

combustibili nucleari

biomas

helioenergie

geotermal

Figura 1.2. Tipurile de instalaii i centrale de producere a energiei electrice funcie de sursa primar de energie.

Sursele de producere a energiei electrice prezint o gam mult mai larg de diverse tipuri. Clasificarea lor funcie de sursa primar de energie, iar pentru cele care produc energie electric - n baza celei termice i n funcie de motorul termic este dat pe fig.1.2 i fig.1.3. O varietate foarte mare prezint instalaiile i centralele electrogeneratoare n baza energiei termice, att datorit surselor primare de energie, ct i diversitii motoarelor care transform energia termic n mecanic, care mai apoi este convertit n energie electric. La motoarele prezentate n fig.1.3 se adaog instalaiile de transformare a energiei primare n electric, evitnd stadiul energiei mecanice, cum ar fi pilele de combustie, bateriile de termocupluri i bateriile fotovoltaice. Productivitatea (puterea) termic a CT, Qt, se prezint n kW, sau MW, eficiena se caracterizeaz cu randamentul termic - t, care se determin din relaia:t =Qt , Q pr

(1.1)

unde Qpr este energia primar consumat la producerea cldurii Qt.

-8-

Introducere

Instalaii i centrale electrice termomecanice

geoterm

combustibili

helio

MAI TA TG MAE

eolomotor

Figura 1.3. Tipurile de instalaii i centrale de producere a energiei electrice n baza energiei termice n funcie de motorul termic:MAI motor cu ardere intern, TA turbin cu abur, TG turbin cu gaze, MAE motor cu ardere extern.

Capacitatea de producere a CE se caracterizeaz prin puterea electric Pe, n MW (pentru instalaiile mici kW), eficiena cu randamentul electric - e.e =Pe . Q pr

(1.2)

Caracteristicile capacitii de producere a CET sunt: productivitatea (puterea) termic Qt i puterea electric Pe. Eficiena CET se caracterizeaz cu randamentul electric - e i randamentul global gl gl =Pe + Qt . Q pr

(1.3) Combustibilii fosili crbunii, ieiul i gazele combustibile naturale, dei erau cunoscui de mii de ani, au cptat o utilizare larg ncepnd cu secolul al XVII, n secolul al XIX ajungnd s ocupe partea leului n bilanul mondial de energie.

-9-


1.3. Resurse primare de energieSocietatea contemporan este asigurat cu energie de un Complex energetic care prezint un organism enorm, intercalat n toate ramurile economiei mondiale i n toate laturile vieii. Consumul mondial de energie la nceputul mileniului al treilea a constituit 420 crbuni EG (peste 10 mlrd. t.e.p. sau peste SRE 23% 14% 14 mlrd. t.c.c.). Structura nuclear 7% consumului este prezentat n diagrama din fig.1.4.Dup cum se vede din diagrama prezentat, ponderea combustibililor fosili gaze este de peste 80 %, din care mai naturale iei 21% mult de o treime i revine ieiului. 35% Surselor renovabile de energie, cu Figura 1.4. Structura consumului mondial de energie primar. includerea hidroenergiei (cca. 2,5 %) i a biomasei tradiionale (cca. 7 %), le revin cca. 14 %. Din consumul total de energie cldurii i energiei electrice le revin cte 1/3. Pentru producerea cldurii se consum combustibili fosili, biomas, energie solar i geotermal. Structura consumului de resurse primare la producerea energiei electrice este prezentat n fig.1.5.

hidro 16,6%

altele 1,8%

crbuni 38,7%

nuclear 17,1%

gaze 18,3%

petroliere 7,5%

Figura 1.5. Structura consumului mondial de resurse primare la producerea energiei electrice.

- 10 -

Introducere

1.4. Aspectul socioeconomic al producerii energieiConsumul mondial de energie se mrete continuu att din cauza creterii gradului de nzestrare cu energie a economiilor naionale ale rilor, ct i din cauza sporirii populaiei. n ultimul timp rata de cretere a consumului mondial de energie este de 1,5...2 % pe an. n acest consum, dup cum s-a relatat mai sus, partea leului le revine combustibililor fosili, rezervele crora sunt limitate. Resursele dovedite de iei, gaze i crbuni se prognozeaz a fi epuizate peste 45, 63 i 230 de ani respectiv, cele probabile peste 114, 200 i 1884 de ani. De oarece se valorific n primul rnd resursele mai accesibile, cu un pre mai mic de extragere, epuizabilitatea practic se exprim prin creterea preului combustibililor i, prin urmare, a energiei secundare: termice, electrice, mecanice etc.Preurile mondiale la energie, n $ SUA/MJ, la nceputul secolului XXI sunt de ordinea: crbuni 1,5...2,0; iei - 5,0...8,0; gaze naturale 4,0...5,5.

n ultimii 10 ani preurile la gazul natural i la iei au crescut n medie de 1,7 ori, pe cnd la crbuni numai ntre 2002 i 2004 de 2 ori. n afar de combustibil, preul energiei secundare este influenat n mare msur de costul utilajului, care n energetic este destul de mare. Valorile orientative ale investiiilor specifice n energetic sunt urmtoarele: CT, n US$/kWt: pe hidrocarburi - 20...50; pe crbuni, lemne i deeuri agroindustriale cu cldura de ardere nu mai joas de 13 MJ/kg 4070; pe deeuri menajere i ali combustibili solizi inferiori - 60100. CTE cu turbine cu abur, n US$/kWe: pe hidrocarburi - 1000...1200; pe crbuni 12001600. CE cu turbine cu gaze 250...500 US$/kWe. CE cu ciclu mixt gaz-abur 750...1000 US$/kWe. CET cu turbine cu abur, n US$/kWe: pe hidrocarburi - 1200...1500; pe crbuni 15001800. CET cu ciclu mixt 900...1500 US$/kWe. CHE 1500...2500 US$/kWe. CNE 2000...3000 US$/kWe.

- 11 -


Energia particip practic n toate procesele tehnologice i la fiecare pas n viaa cotidian a omului. Creterea preului la resursele energetice provoac scumpirea serviciilor comunale, a transportului, practic, a tuturor genurilor de marf, ceea ce nu poate s nu se reflecte asupra situaiei economice a populaiei cu toate urmrile sociale ale acesteia.

1.5.Aspectul ecologicSpre deosebire de aspectul economic, care se reflect mai mult pe plan naional, aspectul ecologic al complexului energetic este cu mult mai complex: de la impactul strict local pn la cel global, universal, i acest fapt nu poate fi trecut cu vederea, problemele ecologice devenind n ultimele decenii unele din cele mai vitale probleme ale societii. Direciile impactului negativ al complexului energetic asupra mediului ambiant sunt multilaterale i afecteaz practic toate laturile vieii omului: -

scoaterea din asolament a terenurilor fertile; poluarea sonor; poluarea estetic vizual; poluarea apelor i a solului cu produse petroliere, cenu, care conin diferii poluani inclusiv i nocivi; poluarea aerului atmosferic cu praf, gaze nocive i gaze cu efect de ser (GES); poluarea termic toat energia primar utilizat, inclusiv cea nuclear i hidraulic, n cele din urm se degaj n mediul ambiant sub form de cldur;

-

- pericolul polurii radioactive. Dac scoaterea solurilor fertile din asolament, poluarea sonor, poluarea estetic vizual, au un caracter local, poluarea apelor, solului i, mai ales, a aerului au efect transfrontalier i chiar global. La acestea se refer deversrile de iei de la vasele navale naufragiate, ploile acide cauzate de oxizii sulfurici i nitrici degajai n atmosfer cu gazele de ardere i transportai la mii de kilometri. O problem deosebit o constituie poluarea termic, cauzat n cea mai mare parte de emisiile de gaze cu efect de ser:-

dioxidul de carbon (CO2), metanul (CH4), hidrofluorcarburile (HFC), perfluorcarburile (PFC), hexafluoridele de sulf (SF6).- 12 -

- oxidul nitric (N2O), -

-

Introducere

O cantitate considerabil (peste 60 %) dintre ele l constituie dioxidul de carbon degajat la arderea combustibililor organci. Valorile medii, n kg/GJ, ale degajrilor specifice de CO2 pentru diveri combustibili sunt: gaze naturale 60, produse petroliere 75, crbuni - 100.

Pentru biomas degajrile de GES se consider nule, de oarece la arderea ei se degaj CO2 legat recent prin fotosintez din aerul atmosferic. GES (gazele cu trei i mai muli atomi n molecul) permit trecerea radiaiei de unde scurte de la soare spre suprafaa pmntului i opresc radiaia de unde lungi de la suprafaa pmntului n spaiul cosmic, dereglnd astfel bilanul de radiaie al suprafeei terestre. n ultimul secol temperatura medie la nivelul solului a crescut cu cca. 0,6 oC cea mai rapid nclzire de la ultima perioad glacial de acum pesta 10 mii de ani, iar cei mai calzi zece ani din istoria umanitii au fost n deceniile 80 i 90 ale secolului trecut. Acest factor are ca urmare schimbarea climei. Modelele folosite pentru clima global arat c pe msur ce temperatura crete, oceanele, cu ape mai calde, elibereaz o cantitate mai mare de energie n atmosfer, provocnd furtuni intense i violente. O demonstraie a veracitii acestor calcule pot servi cele cinci taifunuri care s-au abtut asupra coastei de sud-est a SUA n vara i toamna anului 2004, provocnd pierderi de cteva zeci de miliarde de dolari. Alte consecine nefaste ale schimbrii climei sunt seceta i deertificarea terenurilor. Cu creterea populaiei i a cantitii necesare de hran aceti factori de asemenea sunt foarte ngrijortori. La momentul actual fenomenul de schimbare a climei, cauzat n principal de degajrile de GES, este considerat de Comunitatea Internaional drept una din cele mai grave probleme cu care se va confrunta omenirea n secolul XXI. Pentru a stopa fenomenul respectiv ONU a adoptat urmtoarele Convenii:-

Convenia cadru a Naiunilor Unite privind schimbrile climatice (Rio de Janeiro, 1992), completat de Protocolul de la Kyoto din 11 decembrie 1997; Convenia privind diversitatea biologic (Rio de Janeiro, 1992); Convenia Naiunilor Unite pentru combaterea deertificrii n rile afectate grav de secet i/sau de deertificare (Paris, 17.06.1994).

-

- 13 -


Aceste Convenii propun un ir de msuri i activiti pentru stoparea la prima etap i reducerea ulterior a emisiilor de GES, combaterea deertificrii i conservarea biodiversitii, precum i pentru adaptarea la schimbrile deja produse i inevitabile pe viitor.

1.6.Producerea durabil a energieiDezvoltarea durabil este numit acea 1 dezvoltare economic care asigur satisfacerea necesitilor generaiei prezente fr a compromite posibilitatea exploatarea satisfacerii resurselor, cerinelor orientarea generaiilor 2 investiiilor, viitoare. Ea definete un proces de schimbare n care dezvoltarea tehnologiilor i schimbarea instituiilor sunt armonioase i sporesc, att potenialul prezent de satisfacere a necesitilor umane ct i cel viitor. Referitor la generarea durabil a energiei, scopul ei poate fi definit prin satisfacerea solicitrilor de energie a societii cu cheltuieli i la preuri accesibile cu un impact asupra mediului, care n-ar compromite condiiile de via ale generaiilor viitoare. Cu consideraia aspectelor economic i ecologic relatate mai sus generarea durabil a energiei poate fi exprimat grafic cu schema din fig.1.6, pe care ea prezint partea comun a celor trei arii.Figura 1.6. Schema noiunii de generare durabil a energiei:1 solicitri de energie, 2 posibiliti economice, 3 admisibiliti ecologice, 4 -producere durabil a energiei.

4

3

Probleme1.

n anul 2001 consumul mondial de resurse energetice primare a fost de 10,03 Gt.e.p., producia de energie electric 15,476 PWh. S se determine cota resurselor primare pentru producerea energiei electrice, considernd structura produciei conform fig.1.5, iar valorile randamentelor proceselor de conversie a acestora n energie electric: pentru CHE 0,85, pentru CNE 0,3, pentru CTE pe hidrocarburi 0,4, pentru crbuni i celelalte 0,35. Rezolvare. Transferm valorile consumului i a produciei de energie n EJ Er.p.= 10,03*41,9 = 420,2 EJ,- 14 -

Introducere

Eel.= 15,476*3,6 = 55,71 EJ. Determinm cantitile resurselor primare consumate la producerea energiei electrice: din diagrama fig.1.4 avem: CHE= 0,166; CNE= 0,171; HC= 0,258; crb.= 0,405; hidroE rCHE = E r . p. CHE / CHE = 420,2*0,166/0,85 = 9,7 EJ; . p.

nuclearE rCNE = E r . p. CNE / CNE = 420,2*0,171/0,3 = 31,8 EJ; . p.

hidrocarburiE rHC. = E r . p. HC / HC = 420,2*0,258/0,4 = 35,9 EJ; .p

crbuniE rcarb = E r . p. carb / carb = 420,2*0,405/0,35 = 64,5 EJ; . p.

total

. E relp. = 9,7 + 31,8 + 35,9 + 64,5 = 141,9 EJ; .

Determinm cota resurselor primare pentru producerea energiei electrice. rel. p. = . E relp. .

E r . p.

100 =

141,9 100 = 33,7 %. 420,2

Rspuns: Cota resurselor primare de energie consumate la producerea energiei electrice n bilanul mondial de energie constituie 33,7 %. 2. Anual n R.M. se utilizeaz cca. 800 mii t de combustibili locali (lemne, tulpini de plante etc.) cu cldura inferioar de ardere Qri= 13 MJ/m3. S se determine cota, n %, a combustibililor locali n bilanul energetic al Republicii, dac se tie c consumul anual de energie este echivalent cu B=3,5 mil. t c.c. 3. La preul ieiurilor de 70 USD/bbl costul benzinei artificiale produse din crbuni devine egal cu cel al benzinei naturale, produse din iei. Viteza medie de cretere a preului ieiurilor c, USD/(bbl.an), n ultimii 20 de ani poate fi estimat cu expresiadc = 0,68 (aici este timpul d

- 15 -


n ani). Pentru ultimii 10 ani aceast expresie este

dc = 2,43 . Estimai pentru ambele cazuri d

anul cnd benzina artificial va fi competitiv cu cea natural, considernd preul ieiurilor n anul 2000 de 25 USD/bbl. 4. Structura consumului final de energie n Uniunea European la nceputul secolului XXI era: industrie 28 %, casnic i teriar (cldiri) 41 %, transport 32 %. Lund ca baz aceast structur i consumul specific de energie n cldiri pentru condiiile Moldovei e=36,5 GJ/ (persoan.an) i structura din UE, s se determine solicitrile totale de energie n RM, populaia creia este de 3,35 mil., i structura acestui consum (n PJ, tep i tcc). 5. Conform Protocolului de la Kyoto, emisiile de GES (s se considere RO 2) trebuie s fie stopate pn n anul 2008 la nivelul anului 1990, cnd au fost consumate: petrol 3227 Mtep, gaze 1711 Mtep, combustibili solizi 2209 Mtep, nuclear 518 Mtep i SRE 731 Mtep. Considernd rata de cretere, i, a consumului total de energie 1,5 % pe an, inclusiv: iei - 0,7 %, gaz 2,6 %, crbuni - 1,05 %, energie nuclear - 1,1 %, s se determine ponderea SRE n balana mondial de energie la nivelul anului 2008, care ar corespunde cerinelor Protocolului de la Kyoto. Rezolvare. 1.Calculm consumul de energie la nivelul anului 1990, n EJ:p B90 = 3227 * 0,0419 = 135,2 EJ, g B90 = 1711 * 0,0419 = 71,7 EJ, s B90 = 2209 * 0,0419 = 92,6 EJ, n B90 = 518 * 0,0419 = 21,7 EJ, SRE B90 = 731 * 0,0419 = 30,6 EJ, tot B90 = 135,2 + 71,7 + 92,6 + 21,7 + 30,6 = 351,8 EJ.

2. Utiliznd formulaB08 = B90 (1 + i ( 2008 1990 ) ) , 100

calculm consumul de energie la nivelul anului 2008:- 16 -

Introduceretot B08 = 351,8(1 +

1,5 ( 2008 1990 ) ) = 459,9 EJ 100 0,7 ( 2008 1990 ) ) = 153,3 EJ, 100

p B08 = 135,2(1 +

g B08 = 71,7(1 +

2,6 ( 2008 1990 ) ) = 113,8 EJ, 100 1,05 ( 2008 1990 ) ) = 111,8 EJ, 100 1,1 ( 2008 1990 ) ) = 26,4 EJ. 100

s B08 = 92,6(1 +

n B08 = 21,7(1 +

3. Utiliznd datele din p.1.5, calculm emisiile de GES: pentru anul 1990:GES M 90 = Bi miGES = 135,2 * 75 + 71,7 * 60 + 92,6 * 100 = 23702 Mt;

pentru anul 2008:p p M 08 = B08 m GES = 153,3 * 75 = 11497 ,5 Mt, p g M 08 = 113,8 * 60 = 6828 Mt, c M 08 = 111,8 *100 = 11180 Mt, GES M 08 = 11497 ,5 + 6828 + 11180 = 29505,5 Mt;

cota-parte a solicitrii conform Protocolului de la Kyoto: GES = 23702 / 29505,5 = 0,8 .

4. Repartiznd uniform reducerea necesar ntre combustibilii fosili, determinm consumul acestora:SRE tot n p g s B08 = B08 B08 GES ( B08 + B08 + B08 ) = 459,9 26,4 0,8(153,3 + 113,8 + 111,8) = 129,2 Mt

SRE = 100

SRE B08 129,2 = 100 = 28 %. tot 459,9 B08

Rspuns: Pentru a ndeplini cerinele Protocolului de la Kyoto n anul 2008 ponderea SRE n balana de energie primar trebuie s fie de 28 %.

- 17 -


Literatura recomandat1. Th.C.Eliot, K.Chen, R.C.Swanekamp. Standard Handbook of Powerplant

Engineering.2. V.Arion. Strategii i politici energetice (Uniunea European i Republica Moldova).

Ed.Universul, Chiinu, 2004, -p.538. Natural Gas Prices - Wholesale - Historical and Forecast. http://www.energyshop.com/prices/ (). . http://incru.rosugol.ru/company.shtml3. Principii de management energetic. Coordonator A.Leca. Ed.Tehnic. Bucureti

1997.4. L.R.Broun, C.Flavin, H.Kane. Semne vitale 1996. Tendine care ne modeleaz

viitorul. Bucureti: Editura tehnic, 1997.

- 18 -

Centrale hidroelectrice

2. Centrale hidroelectrice2.1.Cureni de ap. Energia curenilor de apDeosebesc trei tipuri de cureni de ap (deplasarea apei pe suprafaa pmntului): cursuri ale rurilor, maree, cureni maritimi.

Energia primelor dou tipuri poate fi analizat ca energia potenial a masei de ap m aflat la o nlime H de la suprafaa de referin (vezi fig.2.1):E cp.a. = mgH , J.

(2.1)

Puterea cursului va fi:Pp c .a .

E cp.a. = = gVH , W.

(2.2)

n aceste formule: g este acceleraia cderii libere, n m/s2; densitatea apei, n kg/m3; V - debitul volumic al curentului, n m3/s.Fi gura 2.1.Schema unui curs de ap pe suprafaa pmntului

Energia cinetic pentru toi curenii relatai se va determina cu formula:Ec c .a .

mw 2 w2 = = V , 2 2 J

(2.3)

n care w este viteza curentului, n m/s. Puterea curentului: Pcc.a. = V w2 2 , W.

Avnd n vedere c printr-o seciune f V = fw,

pentru puterea cinetic a unui curent de ap cu seciunea transversal f obinem formula:Pcc.a. = f w3 2 ,W- 19 -

(2.4)


Pentru a valorifica energia potenial a unui curent de ap este necesar de a concentra presiunea format de nlimea H i dispersat pe o lungime L ntr-un loc, pe o vertical (punctul B n fig 2.1.). Concentrarea presiunii curenilor pentru a organiza cderile de ap se efectueaz prin intermediul construciilor hidrotehnice: baraje sau canale de derivaie. Pentru utilizarea mai complet a potenialului unui ru pe el se organizeaz cascade de baraje cu lacuri de acumulare. Energia cinetic se utilizeaz fr amenajri hidrotehnice speciale. Gradul de utilizare este cu mult inferior celui pentru energia potenial. Se valorific astfel energia mareelor i se ntreprind ncercri de a utiliza energia curenilor maritimi.

2.2.Amenajrile hidrocentralelorLa amenajrile hidrocentralelor se refer barajele, canalele de derivaie, cldirile CHE precum i un ir de construcii auxiliare cum ar fi aduciuni, canale de fug, dispozitive de deversare, ecluze de navigaie, canale pentru trecerea petilor etc. Barajele pot fi construite din sol, piatr sau beton. Barajele din sol, pentru a fi protejate de afectarea de ctre valuri i ghea, n limitele variaiei nivelului apei, se ntresc cu dale de beton sau nzidiri din piatr nzidite sau de anrocament (vezi fig. 2.2). Dac solul este permeabil, pentru reducerea infiltrrii apei, n corpul barajului se fac ecrane (fig.2.2 b) sau nuclee (fig.2.2 c) din sol impermeabil lut. Barajele din sol, de regul, sunt fixe, ne

a.

b.

c.Figura 2.2. Baraje din sol:

d.

a. - din sol impermeabil; b. din sol permeabil cu ecran; c. - din sol permeabil cu nucleu; d. de anrocament; - 20 din 1 dale de protecie; 2 berm; 3 ecran; 4 nzidire - piatr; 5 nucleu din beton; 6 prism de drenare.


deversibile. nlimea lor poate ajunge la 300m. Impermeabilitatea barajelor de anrocament se asigur n amonte cu un ecran din beton pe o nzidire din piatr (fig.2.2.d). Barajele din beton (beton armat) de regul sunt deversoare. n funcie de construcie ele pot fi gravitaionale, cu contraforturi i n arc. Barajele gravitaionale (vezi fig. 2.3)se construiesc, n cele mai frecvente cazuri, pe soluri slabe, cum ar fi nisipul, lutul. Pe soluri slabe ele pot avea nlimea de 20..30 m, pe fundament de roc pn la 300 m. Dezavantajul lor const n consumul mare de beton armat.

Figura 2.3.Baraj de gravitaie.

Barajul cu contraforturi (fig.2.4) reprezint o platform nclinat n aval i sprijinit de perei perpendiculari ei (contraforturi) unii ntre ei cu grinzi de rigidizare. nlimea acestor baraje poate fi pn peste 100 m.

Figura 2.4. Baraj cu contraforturi:1 platform; 2 contraforturi; 3 - grinzi de rigidizare.

Barajele cu arc (fig.2.5) se construiesc pe ruri cu maluri stncoase, n care ele se sprijin i crora le transmit presiunea apei din amonte. Ele pot fi cu unul sau mai multe arcuri. Pe ruri de munte pot avea nlimi pn la 300 m.a. b. Figura 2.5. Baraj cu arc:a. seciune, b. plan.

- 21 -


La amenajrile n derivaie cursul de ap al rului este derivat (vezi fig.2.6) prin canale deschise i/sau nchise (sub presiune). Canalele pot fi sub form de galerii n sol (muni) sau instalate la suprafa. Ele pot fi cilindrice sau de seciune dreptunghiular confecionate din metal sau din beton armat.

Figura 2.6. Schema CHE cu amenajare n derivaie.

Cldirile CHE ncorporeaz utilajul de for i pot fi amplasate n corpul barajului, la piciorul lui sau separat (la CHE cu derivaie). CHE de putere mic i chiar medie pot fi i fr cldirea seciei de maini, generatoarele fiind acoperite cu un capac de protecie detaabil.

2.3.Lacuri de acumulare: reglarea sarciniin amontele barajelor se formeaz lacul de acumulare n care apa se acumuleaz n funcie de regimul hidrologic al rului pentru a fi folosit n funcie de curbele de sarcin a sistemului electroenergetic la care centrala este Figura 2.7. Schema unui lac de acumulare: conectat. Lacul de acumulare (vezi fig.2.7) 1 albia rului, 2 curba nivelului liber, 3 barajul, 4 aduciunea, 5 galerie, 6 volumul de rezerv, este compus din trei volume: mort situat 7 volumul util, 8 - volumul mort. mai jos de priza de ap a aduciunii ctre turbine, util (de lucru) i de rezerv, care poate fi utilizat temporar n caz de viituri mari pe ru. Utilajul CHE fiind foarte manevrabil schimbarea sarcinii n limite mari, pornirea i- 22 -


oprirea lui pot fi efectuate n timp de cteva minute fr a suporta pierderi eseniale, acestea se folosesc pentru reglarea curbei de sarcin. n funcie de capacitatea lacului de acumulare deosebesc urmtoarele tipuri de reglri: diurn se regleaz curba de sarcin diurn; se folosesc de obicei lacurile mici cu amenajrile pe fir de ap; sptmnal n afar de reglarea curbele diurne, se acumuleaz apa n zilele de weekend pentru a fi utilizat n cele lucrtoare; se folosesc lacurile de mrime medie; anual se folosesc lacurile mari, volumele de rezerv ale celor medii, att pentru a regla curba anual de sarcin ct i pentru a acumula debitele rului din perioadele anului cu depuneri eseniale pentru a le folosi dup necesitate. de perioad lung (multianual) lacurile de capacitate foarte mare acumuleaz apa n anii cu depuneri abundente pentru a o folosi n anii secetoi.

2.4.Turbine hidraulice2.4.1.Noiuni generale

Conform legii lui Bernoulli energia cursului de ap n punctele A i B din fig. 2.1. va fi respectiv:2 p A wA e A = gz A + + , J/kg 2 2 p B wB e B = gz B + + , J/kg. 2

(2.5)

i

(2.6)

n aceste ecuaii zA i zB reprezint nlimile geodezice respective, n m; pA i pB presiunile n punctele respective, n Pa;

- densitatea apei, n kg/m3; wA i wB vitezele curentului de ap, n m/s.Energia care poate fi cedat de curent turbinei hidraulice n punctul B va fi egal cu diferena acestor dou cantiti:e AB = g ( z A z B ) +2 2 p A p B w A wB + , J/kg. 2

(2.7)

- 23 -


Din (2.7) rezult c energia curentului este compus din energia potenial de poziieg ( z A z B ) , energia potenial de presiune2 p A pB w 2 wB . i energia cinetic A 2

Turbinele n care se utilizeaz, chiar i parial, energia potenial se numesc cu reaciune (reactive), cele care utilizeaz energia cinetic a curentului de ap cu aciune (active).

2.4.2.Tipuri de turbine

Cele mai rspndite tipuri sunt turbinele reactive Kaplan i Francis i turbinele active Pelton. Turbinele Kaplan (vezi fig. 2.8) sunt turbine cu admisie radial a apei prin paletele directoare 5 i scurgerea axial prin camera rotorului 4. Energia curentului de ap se transmite axului 1 prin intermediul paletelor 3. Numrul paletelor poate fi de Figura 2.8. Schema turbinei Kaplan: la 3 pn la 8 (numrul crete cu mrirea diametrului 1 rotor; 2 conul elicei; 3 paletele rotorului). La turbinele mari, pentru a reduce rotorului; 4 camera rotorului; 5 palete directoare de reglaj. pierderile de presiune la cderea apei pe palete n regimuri variabile, paletele se construiesc reglabile (turnante). Turbinele Kaplan se utilizeaz la cderi de ap relativ mici: turbinele cu elice pn la 25 m, cele cu palete reglabile pn la 70 m. Axul turbinei n majoritatea cazurilor se amplaseaz vertical, generatorul electric conectndu-se n partea de sus a acestuia. Unele turbine mici i turbinele bulb se confecioneaz cu axul orizontal. n agregatele tip bulb generatorul cu turbina formeaz corp comun, fiind introduse ntr-o carcas metalic de forma unui bulb hidrodinamic plasat pe traseul canalului orizontal prin care are loc scurgerea apei.1 2 3

3

4Figura 2.9. Schema turbinei Francis:1 camera spiral de distribuie; 2 rotor; 3 paletele rotorului; 4 palete directoare de reglaj.

- 24 -


Turbinele Francis (vezi fig. 2.9) au admisia radial: din camera spiral de distribuie prin paletele directoare, iar scurgerea prin rotor la intrare - radial i la ieire axial. Rotorul lor este compus din 9...21 palete cu o geometrie complicat. Axul se amplaseaz vertical. Turbinele radial-axiale se utilizeaz la cderi de ap mari: de la 20...30 m pn la 700 m i mai mult. Turbinele reactive, att axiale ct i radial-axiale, se utilizeaz ntr-un diapazon foarte vast de debite de la 0,3 m3/s pn aproape de 1000 m3/s. Turbinele Pelton (vezi fig. 2.10) sunt turbine cu aciune n admisie parial i tangenial n care scurgerea apei se realizeaz axial datorit cupelor cu dubl ieire. Apa din lacul de acumulare, prin aduciune se ndreapt sub form de jet Figura 2.10.Turbina tip Pelton: 1 rotor, 2 palete, 3 injector, 4 ac de reglare. format de injectorul 3 ctre rotorul 1, care reprezint un disc cu cupe 2. Rotorul i injectorul sunt amplasate n interiorul mantalei. Sarcina turbinei se regleaz cu acul 4 din interiorul injectorului, care permite funcionarea fr ocuri i cu un randament sporit n limite mari de sarcin. Numrul cupelor depinde de diametrul rotorului. La debite mari, de peste 20 m3/s, numrul injectoarelor poate fi pn la 4...6. Turbinele Pelton se utilizeaz la debite relativ mici 0,06...60 m3/s i cderi de ap mari 50..1700 m. Turbinele se realizeaz cu axul vertical sau orizontal. Caracteristica tehnic de baz a diferitor tipuri de turbine care determin domeniile lor de utilizare este rapiditatea sau turaia specific:ns = n 1,166 H P H = 1,166 nP 2 H1 5 4

, rot/min.

(2.8)

n aceast formul: n este frecvena de rotaie a turbinei, n rot/min.; H cderea apei, n m; P puterea turbinei, n kW. Turaia specific reprezint frecvena de rotaie a cu care s-ar roti turbina respectiv, dac ar funciona cu o cdere de 1 m i ar dezvolta o putere de 0,736 W. Fiecare serie de turbine este caracterizat de o valoare a turaiei specifice.- 25 -


Din (2.8) obinem expresia pentru calculul frecvena de rotaie a turbinei concrete pentru parametrii dai:n = 0,858n s H5 4

P

12

, rot/min.

(2.9)

Pentru a obine frecvena curentului produs de generator la valoarea de 50 Hz, turaia trebuie rotunjit astfel ca (50.60)/n (care reprezint numrul de perechi de poli ai generatorului electric) s fie un numr ntreg. De oarece cu ct turaia este mai mic turbina i generatorul sunt mai masive, tipurile de turbine cu ns mici se utilizeaz la cderi mari i invers. Turbinele Pelton au rapiditatea ntre 10...50 rot/min, turbinele Francis 70...400 rot/min, turbinele Kaplan 300...1000 rot/min.

2.5.Eficiena CHEPuterea Centralei Hidroelectrice are ca baz puterea curentului de ap: PCHE = Pc.a.CHE, sau, innd cont de (2.2), PCHE = gVHCHE, n care CHE este randamentul global al centralei. (2.10)

CHE=VH t g . evaporare de pe suprafaa lacului de acumulare, infiltrare n sol,

(2.11)

unde V este randamentul volumetric al centralei i caracterizeaz pierderile de debit prin:

scurgeri prin spaiul dintre rotor i camer, ne etaneiti, ecluze, canale pentru peti etc., evacurile tehnologice, de avarie .a. Valorile V sunt n limitele 0,92...0,98.

H este randamentul hidraulic care caracterizeaz pierderile de presiune: la curba nivelului liber, locale i liniare pe traseul de la lacul de acumulare pn la ieire din conducta de fug.

- 26 -


H = 0,90...0,98; valorile mici se refer la centralele n derivaie lungimea canalelor n unele din ele avnd sute de metri, valorile mari la centralele cu turbine tip bulb. t este randamentul turbinei; el include toate pierderile care au loc n elementele turbinei (volumetrice, hidraulice, mecanice); valorile lui pentru turbinele cu reaciune sunt de ordinea 0,90...0,93, pentru cele cu aciune 0,88...0,91. g este randamentul generatorului electric, valorile lui sunt de 0,90...0,95.Aadar, randamentul integral al centralei - CHE = 0,7...0,8.

2.6. Instalaii pentru utilizarea energiei cinetice a curenilor de apTurbinele hidraulice ce utilizeaz energia cinetic a curenilor de ap au construcie analogic motoarelor eoliene cu palete. Numrul paletelor este 2...4. La trecerea curentului de ap prin rotorul turbinei el cedeaz o parte din energia sa. Energia utilizat se caracterizeaz cu mrimea Cp, numit factor de putere. Valoarea maxim a factorului de putere este Cp= 16/27 = 0,593. Prin urmare, randamentul instalaiei va fi: CHE = C pt g

(2.12)

Astfel, puterea unei centrale hidraulice care utilizeaz energia cinetic a curentului de ap poate fi determinat cu relaia:c PCHE = CHE f

w3 , W. 2

(2.13)

Aici f este suprafaa curentului baleiat de rotorul turbinei, n m2 i pentru rotorul cu diametrul d - f =d 2 . 4

Aceste turbine ns nu sunt exploatate i studiate suficient pentru a se determina strict eficiena lor. Orientativ C H E = 0,4...0,5. La o vitez a apei de 2 m/s puterea generat este de cca. 2 kW/m2.

2.7.Tipuri de hidrocentraleDup particularitile funciunilor lor se disting urmtoarele tipuri de centrale:

- 27 -


-

CHE normale fluviale, folosite exclusiv pentru producerea energiei electrice; CHEAP centrale hidroelectrice de acumulare prin pompare; CHEMM - centrale hidroelectrice maree motoare

-

CHE normale (vezi fig.2.11, 2.12) aparin celui mai rspndit tip de centrale, n care se folosesc toate tipurile de turbine hidraulice. Puterea lor variaz de la civa kW pn la cteva

Figura 2.11. CHE cu turbin Kaplan.

mii de MW, numrul de agregate variind de la 1 pn la 20 i mai multe. CHEAP servesc la reglarea curbei diurne de sarcin. Aceste centrale sunt construite n rile cu sistemul electroenergetic bazat pe Centrale nucleare sau Centrale termoelectrice mari cu turbine cu abur. Centrala se plaseaz ntre dou lacuri de acumulare. n orele cu sarcina minim n sistem CHEAP lucreaz n regim de pompare, consumnd energie electric i meninnd prin aceasta sarcina Centralelor termoelectrice i nucleare n regim stabil. n orele de vrf centrala lucreaz n regim de generare a energiei electrice, consumnd apa acumulat n lacul amonte. Acestea sunt, de obicei, centrale de putere medie cteva sute de MW cu o cdere de ap de 15...20 m. Randamentul transferului de energie din orele de groap a curbei de sarcin n cele de vrf- 28 -


este de cca. 0,7. Se folosesc turbine clasice tip Kaplan, dar n cele mai frecvente cazuri agregate tip bulb (vezi fig.2.12) cu aciune dubl: turbin-pomp.

Figura 2.12. Central cu turbine tip bulb.

CHEMM utilizeaz energia mareelor fluxului i refluxului. nlimea maxim a fluxului ajunge n nordul Franei la 14,7 m, n Anglia 16,3 m, pe malul Atlantic al Canadei 19,6 m. Acest maxim se repet peste fiecare 12 h i 25 min. CHEMM sunt de dou tipuri: cu amenajri clasice baraje construite n gura rului sau fiorduri i cu instalaii de utilizare a energiei cinetice. Barajele formeaz cderi de ap att n timpul fluxului ct i a refluxului. nlimea barajului fiind relativ mic, centralele clasice folosesc de obicei turbine tip bulb cu aciune n dou direcii. Centralele utiliznd energia cinetic (Tidel Power), reprezint ferme de turbine instalate de-a lungul malului pe pilon ncastrai n fundul mrii (vezi fig.2.13), sau pe platforme ancorate. Investiiile n aceste instalaii sunt incomparabil mai mici dect n cele cu baraje. De asemenea incomparabil este i impactul asupra mediului. Dezavantajul const n eficiena mai mic (de cca. 2 ori) a utilizrii energiei curenilor de ap. Dup puterea integral CHE se mpart n 3 grupe: - centrale mari (cu puterea peste 20...30 MW n SUA i Rusia; n Romnia, Frana, Canada .a. 2...5 MW), construite pe ruri cu debit de 20 m3/s i mai mult; - centrale mici, cu debitul ntre 5 m3/s i 20 m3/s;- 29 -


- micro-CHE, cu puterea sub 100 kW, situate pe cursuri de ap cu debite mai mici

de 5 m3/s i cderea de ap sub 5 m. Centralele mari intr n clasa energeticii convenionale, cele mici i micro n energetica neconvenional, n baza surselor regenerabile de energie. Centralele mici i micro au o dezvoltare deosebit n ultimele decenii datorit apariiei sistemelor eficiente i ieftine de automatizare. Centralele mici se construiesc fr cldiri costisitoare, funcioneaz fr personal de deservire. Pot fi conectate la sistemul energetic sau pot funciona autonom.

Figura 2.13. CHE cu utilizarea energiei cinetice a apei.

Figura 2.14. Micro-CHE demontabil:1 baraj, 2 priz de ap, 3 conduct forat de aduciune, 4 turbin, 5 generator electric, 6 - deversor.

Centralele micro n majoritatea lor sunt Figura 2.15. Micro-CHE cu man: 1 albia rului, 2 priz de ap, 3 man, mobile. Ele pot fi instalate cu un baraj mic (vezi 4 turbin cu hidrogenerator, 5 - deversare. fig. 2.14) sau i fr acesta aa numitele CHE de buzunar (vezi fig. 2.15 ). Centralele micro funcioneaz n regim autonom.

2.8.Aspectul ecologic al hidroenergeticiiHidrocentralele au un ir de influene pozitive asupra mediului, cum ar fi: - lipsa de degajri cu impact negativ asupra mediului; reglarea debitului rului; excluderea de inundaii a localitilor din avalul centralei; dezvoltarea irigaiei; organizarea zonelor de odihn pe malul lacurilor etc.- 30 -


Dezavantajele, ns sunt mai nsemnate: excluderea din asolament a suprafeelor vaste de soluri fertile alctuite din aluviuni de pe malurile rurilor; schimbarea regimului hidrologic al rului din cauza pierderilor sporite de ap n lacurile de acumulare i reducerea, prin urmare, a debitului n aval; schimbarea florei i a faunei n ru cauzat de un ir de factori, cum ar fi: schimbarea temperaturii n legtur cu ineria termic i evaporarea sporit n lac, mpiedicarea prin baraj a migrrii petilor, schimbarea regimului hidrologic .a.; creterea activitii seismice n zona lacurilor mari; complicarea sau excluderea navigaiei fluviale etc.

-

2.9.Aspectul economic al hidroenergeticiiCostul energiei electrice produse la CHE se compune din cota investiiilor raportate la o unitate de producie i cheltuielile de exploatare respective. Att valorile acestor cheltuieli ct i raportul lor difer foarte mult pentru centralele mari i cele mici, de i partea leului i la unele i la altele revine investiiilor. La centralele mari ponderea cheltuielilor de exploatare nu depesc, de obicei 15 %. Investiiile sunt nu numai voluminoase dar i complexe. Investiiile iniiale n procurarea pmntului, pregtirea infrastructurii etc. constituie 10...17 %; construciile hidrotehnice 50...60 %, utilajul energetic 20...40 %. Difer i durata de folosire a elementelor respective: unele elemente sunt cvasinelimitate, altele au o durat relativ scurt 15...20 de ani. Caracteristic pentru cheltuielile anuale ale CHE este independena lor, aproape total, de cantitatea de energie produs anual. De aceea costul produciei depinde ntr-o msur foarte mare de cantitatea ei anual.

- 31 -


Probleme1. S se determine frecvena de rotaie a turbinei hidraulice din seria cu ns = 125 rot/min pentru un curs de ap de 25 m3/s la cderea de 70 m, avnd n vedere c frecvena curentului n reea este de 50 Hz. Rezolvare: 1. Considernd randamentul turbinei 0,85, determinm puterea ei. Pt = 9,81VH = 9,8110000,852570= 14,592106 W =14592 kW. 2. Calculm valoarea preliminar a turaiei turbinei. n = 0,858 ns H5/4Pt-1/2 = 0,858125701,25/145920,5= 180 rot/min. 3. Calculm numrul perechilor de poli ai hidrogeneratorului. Zp= 60/n =6050/180 = 16,7. 4. Considernd numrul perechilor de poli ai hidrogeneratorului Zp= 15, determinm valoarea real a turaiei. n = 60/Zn =6050/15 = 200 rot/min. 5. Precizm puterea real a turbinei din soluia expresiei (2.6) pentru Pt. Pt = 0,735 (ns/n)2 H5/2 =0,735(125/200)2702,5 =11770 kW. Rspuns: Frecvena de rotaie a turbinei va fi 200 rot/min. 2. Determinai producia anual posibil a unei micro-CHE care este montat pe un pru cu limea de 1 m, adncimea medie - 0,4 m, viteza medie - 0,5 m/s, dac nlimea posibil a barajului este de 1,5 m. 3. Cum se va modifica puterea unei hidroturbine cu presiunea de 20 m H2O dac nivelul apei n lacul de acumulare o s scad cu 5 m?

- 32 -


Literatura recomandat1. I. Preda. Centrale hidroelectrice i staii de pompare. Vol.I. Timioara, 1990,

-p.305.2. .., .., .. .

. , , 1987, -.464.3. .., ... . ,

. 1982, -.304.4. D.Cristescu, L.Pantelimon, S.Darie. Centrale i reele electrice. Ed.did.i ped.

Bucureti. 1982, -p.352.

- 33 -


3. Combustibili i procese de ardere3.1.Noiune de combustibil. TipuriCombustibili numesc substanele inflamabile care din punct de vedere economic este raional s se utilizeze pentru obinerea unor cantiti considerabile de cldur. Se utilizeaz combustibili de provenien organic (att fosili ct i biomas) i mineral combustibilul nuclear (U235, U238, U233, Pu239). Combustibilii organici degaj cldura n urma reaciilor interatomare - de combinare a elementelor (atomilor) combustibile cu oxidantul. Combustibilii nucleari degaj energia legturilor din interiorul nucleului atomilor, n urma reaciilor de fisiune a acestora, energie cu mult mai mare dect cea degajat de combustibilii organici. Dup starea de agregare combustibilii se mpart n: solizi - crbuni (lignitul, huila, antracitul, cocsul); isturi combustibile; turb; biomas (lemnul, mangalul, deeurile agricole, industriale, menajere); lichizi produse petroliere (benzina, motorina, cherosenul, pcura); biodiesel produs din uleiurile vegetale; alcooli (etilic, metilic); gazoi gazele naturale; gazele asociate (zcmintelor de iei); gazele artificiale (biogazul, gazul de gazogen, gazul de furnal, de cubilou .a.). O categorie specific reprezint gazele presate lichefiate (GPL) propanul i butanul, obinute din gazele asociate. La presiuni de cteva zeci de bari ele se afl n stare lichid, la presiune atmosferic i temperatura mediului ambiant n stare gazoas. Pentru producerea energiei electrice i termice se utilizeaz aproape toate aceste tipuri de combustibil cu excepia unora de calitate superioar, cum ar fi cocsul, benzina, alcoolii.

3.2.Compoziia combustibililor; mase de combustibil3.2.1.Combustibili solizi i lichizi

Compoziia combustibililor solizi i lichizi se prezint n procente de mas ale elementelor (carbon C, hidrogen H, sulf volatil S, oxigen O i azot N), cenuii - A i- 34 -

Combustibili i teoria arderii

umiditii - W. Umiditatea i cenua prezint balastul exterior al combustibilului, oxigenul i azotul balastul interior, carbonul, hidrogenul i sulful materialele combustibile. Masa combustibilului livrat de furnizor i primit de consumator este numit mas iniial sau de lucru. Se noteaz Mr (n unele surse Ml sau Mi). Mr=Cr+Hr+Sr+Or+Nr+Ar+Wr=100 %. (3.1)

Masa anhidr se noteaz Md (dry) sau Ma, masa combustibil Mdaf (dry ashes free) sau Mc. Compoziia lor este: Md=Cd+Hd+Sd+Od+Nd+Ad=100 %. Mdaf=Cdaf+Hdaf+Sdaf+Odaf+Ndaf=100 %. (3.2) (3.3)

Multiplii de transfer a componentelor dintr-o mas n alta sunt prezentai n tab.3.1.Tabelul 3.1. Factorii de convertire a componentelor combustibililor

Masa dat combustibil anhidr iniial

combustibil 1 100 100 A d 100 100 A r W r

Masa determinat anhidr iniial d 100 A 100 A r W r 100 100 100 W r 1 100 100 1 100 A r

3.2.2. Combustibili gazoi

Compoziia combustibililor gazoi se prezint n procente de volum ale gazelor componente: V=CH4+ C2H6 +C3H8+C4H10+C5H12+N2+CO2+H2S+O2+CO+H2=100 % . (3.4)

- 35 -


3.3.Caracteristicile tehnice de baz ale combustibililor3.3.1.Cldura de ardere. Combustibili convenionali

Cldura de ardere (mai numit i putere caloric) a combustibilului reprezint cantitatea de cldur care se degaj la arderea complet a unui kg de combustibil solid sau lichid, sau a unui m3 (la condiii normale) de combustibil gazos. Deosebesc cldura de ardere superioar i inferioar. Cldura de ardere superioar include cldura de condensare a vaporilor de ap din produsele de Tabelul 3.2. Densitatea i cldura de ardere ardere, cea inferioar n-o include. Se ale unor gaze Gazul Densitatea, Cldura de noteaz prin simbolul Q cu indicii kg/m3 ardere, respectivi: sus masa la care se MJ/m3 raporteaz, iar jos - superioar (s) sau Hidrogen H2 0,090 10,784 inferioar (i): Qid, n MJ/kg, Qsr, n Azot N2 1,251 d 3 Oxigen O2 1,428 MJ/kg, Qi , n MJ/m . Oxid de carbon 1,250 12,620 Valorile precise ale cldurii de CO Dioxid de 1,964 ardere se determin n condiii de carbon CO2 laborator prin arderea combustibilului n Hidrogen 1,520 23,354 bomba calorimetric. Valorile sulfurat H2S aproximative pot fi calculate cunoscnd Metan CH4 0,716 35,774 Etan C2H6 1,342 63,669 compoziia combustibilului, dup mai Propan C3H8 1,967 91,138 multe formule: Butan C4H10 2,593 118,498 Pentan C5H12 3,218 145,896 formula lui Mendeleev: Etilen C2H4 1,251 58,990 daf daf daf Qi =0,339C +1,029H Propilen C2H6 1,877 85,894 Butilen C4H8 2,503 113,367 0,109(Odaf-Sdaf), MJ/kg. (3.5) Benzol C6H6 3,458 140,200 Acetilen C2H2 1,161 56,870 formula din literatura german:Qir=0,34Cr+1,017Hr+0,063Nr+0,191Sr -0,098Or-0,025Wr, MJ/kg (3.6)

sau altele. Aceste mrimi pot fi transferate la masa combustibil, anhidr sau iniial, folosind factorii de convertire din tab.3.1. Recalcularea cldurii superioare din cea inferioar i invers se efectueaz utiliznd relaia:Qsr= Qir+0,225Hr+0,025Wr, MJ/kg. (3.7)

Pentru combustibilii gazoi se utilizeaz formula: Qid=QiKi/100, MJ/m3,- 36 -

(3.8)


unde Ki sunt valorile componentelor combustibilului, n %, Qi cldurile de ardere respective (vezi tab.3.2). Dac combustibilul conine umiditatea d, n g H2O/kg g.anh., cldura raportat la masa iniial va fi: Qir=(Qid-0,0025d)100/(100+ 0,1224d). (3.9)

Pentru calcule privind ntocmirea de bilanuri energetice sau pentru studii comparative se introduce noiunea de combustibil convenional combustibil cu puterea caloric inferioar (Qir)c.c. =29,3 MJ/kg c.c. (7,0 Mcal/kg c.c.). n rile anglofone n calitate de combustibil convenional se folosete noiunea de echivalent al petrolului (Qir)e.p. = 41,9 MJ/kg e.p. (10,0 Mcal/kg e.p.).3.3.2.Caracteristici ale combustibililor solizi

Materiile volatile (Vdaf) prezint cantitatea total de gaze produse prin nclzirea combustibilului n lipsa aerului la temperatura de 800...850 oC. Reziduul solid rmas prezint cocsul. Coninutul materiilor volatile este n funcie de vrsta combustibilului. Ele favorizeaz aprinderea combustibilului. Tabelul 3.3. Cldura specific a Densitatea real a combustibililor solizi are valori ntre 1300 kg/m3 i 1900 kg/m3, densitatea aparent (n vrac) 450...800 kg/m3. Cldura specific masic se calculeaz cu formula:cr = cd p p 100 W r Wr + c pH 2O , kJ/(kgK); 100 100crbunilor i a apei, n kJ/(kg.K)

Antracit i huil slab Huil Lignii Turb isturi bituminoase H2O

0,92 1,00 1,09 1,15 0,90 4,19

(3.10)

d n care valorile c p i c pH 2O , n kJ/(kgK) se vor lua din tab.3.3.

Temperatura de autoaprindere temperatura la care combustibilul se aprinde spontan n aer, fr prezena unei flcri, se stabilete cu relaia: ta= a lg dp + b, oC, (3.11)

n care a i b sunt constante funcii de combustibil (a 0,89; b = 500...550), iar dp este dimensiunea medie a particulei de combustibil, n mm.

Temperaturile caracteristice de topire a cenuii:- 37 -


-

de nmuiere (t1= 800...1500 oC); de topire (t2= t1+ 100...200 oC), de curgere (t3= t2+ 10...70 oC).

Coeficientul de mcinabilitate, care caracterizeaz consumul de energie la mcinarea crbunilor.Tabelul 3.4. Compoziia i caracteristicile combustibililor solizi

CombustibilAntracit Huil Lignit Turb Lemn Paie

Componente, %Cr65-80 50-75 25-50 25 40 42,75

Hr1-2 3-5 1-4 2,5 3,5-4,5 5,30

Sr

Or Nr Combustibili solizi0,5-2 1,5-10 8-15 15 25-35 36,85 0,5-1 0,5-1,5 0,4-1,3 1 0,4 0,52

Ar8-20 10-40 5-30 6 0,5-1,5 4,50

Wr5-10 5-20 15-50 50 10-40 10,0

Vdaf, %1-7 10-50 30-60 70 85 78

Qir, MJ/kg22-30 16-27 8-20 8 10-17 16

0,5-1,5 0,3-3 0,2-1,5 0,1 0,08

Compoziia, materiile volatile i cldura de ardere a combustibililor solizi sunt prezentate n tab.3.4.

3.3.3.Caracteristici ale combustibililor lichizi

Viscozitatea. Pentru transportare prin conducte valoarea viscozitii trebuie s fie ntre 30 oE i 90 oE, pentru pulverizare 2...3 oE. Valorile mari ale viscozitii se ntlnesc practic numai la pcur.Tabelul 3.5. Compoziia i caracteristicile combustibililor lichizi

Combustibil Benzin Motorin Pcur GPL

Cr80-85 86,5 83-87

Hr14-15 13-15 10-12

Componente, % Sr Or+ Nr0,05 0,3 0,5-4 0,05-5 0,4 0,3-0,7

Ar0,2 0,05-0,2

Wrurme 0,3-3

Densitate, kg/m3760 870

Qir, MJ/kg42-43,5 42 39,3-40,2

82,5

17,5

-

-

-

-

2220

46,06

Temperatura de inflamabilitate este temperatura la care vaporii de combustibil la presiunea atmosferic se aprind n aer de la o surs incandescent; pentru combustibilii uori ea este de 25...30 oC, pentru pcur 90...120 oC.

- 38 -


Coninutul de sulf influeneaz att funcionarea utilajului prin coroziunea acid a metalului, ct i impactul asupra mediului prin emisiile de SO2 i, mai ales, SO3. Coninutul de vanadiu; se ntlnete la pcur, ajungnd pentru unele peste 100 ppm. Cldura specific funcie de temperatur i pentru pcur poate fi determinat cu expresia: cp= 1,7375 + 0,0025 t, kJ/(kg.K). (3.12)

Compoziia, densitatea i cldura de ardere a combustibililor lichizi sunt prezentate n tab.3.5.3.3.4.Caracteristici ale combustibililor gazoi

Densitatea gazului se poate calcula n funcie de compoziie cu formula:

= iKi, kg/m3;densitile componentelor i sunt date n tab.3.2.

(3.13)

Temperatura de aprindere n amestec cu aerul variaz de la 335 oC (acetilena) pn la 800...850 oC (metanul).Tabelul 3.6. Compoziia i caracteristicile combustibililor gazoi

GazulNatural Asociat De gazogen Biogaz De furnal De rafinrie

Componente, %CH4 C2H6 62- 0,299 14,5 44- 3-25 96 0,53 5580 0,3 C3H8 0,17,6 0,812,6 C4H10 0-3,5 0,1-5* C5 H 12 0-0,5

0,1-2,2

H2 01,1 715 0-3 5 0-9

H2S CO CO2 0,11,4 0,5- 00,8 1,8 01,2 urme 928 0-2 27 -

O2 -

0,20-0,7 -

59,8 2040 12,5 0,2 55 -

00, 4 0,2 4562 0-3

N2 0,230 0,127

, kg/m30,740,95 0,751,2 1,121,22 0,951,2 1,19 0,6-1,6

Qir, MJ/m328-46 37-47 4,2-6,5 20-30 3,8 43-95

74200-19 93 40** 35*** 34**** *- inclusiv hidrocarburile mai grele; **- inclusiv etilenul C2H4; ***- inclusiv propilenul C3H6; ****- inclusiv butilenul C4H8.

- 39 -


Compoziia, densitatea i cldura de ardere a combustibililor gazoi sunt prezentate n tab.3.6.

3.4. Arderea combustibililor. Calculul procesului de ardere3.4.1. Noiuni. Reacii de ardere

Arderea prezint un proces chimic de oxidare a componentelor inflamabile a combustibilului cu oxidantul, urmat de degajarea intensiv de cldur. n instalaiile energetice n calitate de oxidant se folosete aerul atmosferic. Arderea poate fi omogen i eterogen. Arderea eterogen este specific combustibililor solizi i lichizi. Deosebesc ardere complet i incomplet. Incomplet se numete arderea n urma creia, din cauza insuficienei de oxidant sau a organizrii imperfecte a procesului, n produsele arderii rmn gaze combustibile: CO, H2, CH4 (ardere chimic incomplet), sau particule de combustibil solid (ardere mecanic incomplet). Componentele inflamabile ale combustibililor solizi i lichizi fiind carbonul C, sulful S i hidrogenul H, reaciile stoichiometrice ale arderii complete vor fi: C + O2= CO2 + QC; 2H + O2 = H2O + QH; S + O2 = SO2 + QS. Reaciile de ardere a combustibililor gazoi: CO + 1/2O2= CO2 + QCO; H2 + O2 = H2O + QH; H2S + 3/2O2 = SO2+ H2O + QH2S; CmHn + (m +n/4)O2 = mCO2 + n/2H2O + QCmHn. (3.19) (3.17) (3.15) (3.18) (3.14) (3.15) (3.16)

n baza acestor ecuaii se obin expresiile de calcul al procesului de ardere: cantitile aerului necesar arderii i a gazelor de ardere.

- 40 -


3.4.2. Calculul aerului necesar arderii 3.4.2.1. Combustibilii solizi i lichizi

Dup reaciile stoechiometrice (3.14...16) determinm volumul de oxigen necesar arderii: - pentru 1 kmol C este necesar1 kmol O2, sau pentru 12 kg C 22,4 m3 O2, de unde pentru 1 kg C 22,4/12 m3 O2; - analogic pentru 1 kmol H2 este necesar 1/2 kmol O2, sau pentru 2 kg H2 22,4/2 m3 O2, de unde pentru 1 kg H2 22,4/2/2 m3 O2; - i pentru 1 kmol S este necesar1 kmol O2, sau pentru 32 kg S 22,4 m3 O2, de unde pentru 1 kg S 22,4/32 m3 O2. Avnd compoziia combustibilului, inclusiv cu o cantitate de O2, n % de mas pe care le transformm n volum, obinem urmtoarea formul pentru volumul de oxigen necesar arderii unui kg de combustibil:C r 22,4 H r 22,4 S r 22,4 O r 22,4 V = + + = 100 12 100 4 100 32 100 32 0,0187C r + 0,056 H r + 0,007 S r 0,007O r m 3 / kg.0 O2

Considernd coninutul volumetric al oxigenului n aer de 0,21, obinem:V0 aer

VO02 = = 0,0889C r + 0,266 H r + 0,0333 S r 0,0333O r , m 3 / kg , 0,21

sau0 Vaer = 0,0889(C r + 0,375 S r ) + 0,266 H r 0,0333O r , m3/kg.

(3.20)

3.4.2.2. Combustibilii gazoi

Volumul de oxigen necesar arderii l determinm dup reaciile (3.15) i (3.17...19): - pentru 1 kmol de CO este necesar kmol O2,- 41 -


sau pentru 22,4 m3 CO 22,4/2 m3 de O2, de unde pentru 1 m3 CO 22,4/2/22,4= 0,5 m3 de O2; - analogic pentru 1 kmol H2 este necesar1/2 kmol O2, sau pentru 1 m3 H2 0,5 m3 de O2; pentru pentru 1 kmol H2S sunt necesare3/2 kmol O2, - sau pentru 1 m3 H2S 1,5 m3 de O2; i pentru pentru 1 kmol CmHn sunt necesari (m + n/4) kmol O2, sau pentru 1 m3 CmHn (m + n/4) m3 de O2. Avnd compoziia combustibilului i considernd coninutul volumetric al oxigenului n aer de 0,21, primim:0 Vaer = 0,0476 0,5CO + 0,5 H 2 + 1,5 H 2 S + (m + n / 4)C m H n O2 , m3/m3

[

]

(3.21)

3.4.2.3. Coeficientul de exces de aer

De oarece practic amestecul perfect al combustibilului cu aerul, pentru a obine arderea complet, este imposibil de realizat, n zona de ardere se introduce o cantitate mai mare de aer dect cea teoretic necesar Vaer. n motoarele termice aerul excesiv se introduce de asemenea n scopuri de rcire a camerelor de ardere i a altor utilaje. Raportul dintre aceste volume este numit coeficient de exces de aer:=Vaer 0 Vaer

(3.22)

Valorile uzuale ale lui (n unele surse bibliografice coeficientul de exces de aer este notat cu sau ) sunt: n focarele cazanelor 1,05...1,4; n cilindrele motoarelor cu ardere intern 1,5...2,5; n turbinele cu gaze 2,5...5,5.3.4.3.Calculul cantitii gazelor de ardere

Gazele de ardere, att a combustibililor solizi, lichizi, ct i a celor gazoi, sunt compuse din: CO2, SO2, N2, H2O i aerul excesiv.

- 42 -


Pentru combustibilii solizi i lichizi calculele se efectueaz n baza acelorai reacii stoichiometrice (3.14...16) cu consideraia azotului i a umiditii combustibilului i a aerului. la arderea 1 kmol de C se produce 1 kmol de CO2, sau din 12 kg C se produc 22,4 m3 CO2, deci din 1 kg de C se produc 22,4/12 m3 de CO2. Prin urmare,VCO 2 22,4 C r = = 0,0186C r ; 12 100

analogic din 1 kg de S se produc 22,4/32 m3 de SO2 iVSO 2 = 22,4 S r = 0,007 S r . 32 100

Aceste dou mrimi este primit s fie unite sub noiunea de gaze triatomice RO2:V RO 2 = 0,0186(C r + 0,375 S r ) , m3/kg.

(3.23)

Volumul azotului este compus din azotul aerului i cel al combustibilului. Volumul azotului din combustibil fiind (22,4/28).(Nr/100), obinem:0 V N 2 = 0,79Vaer + 0,008 N r , m3/kg.

(3.24)

Volumul vaporilor de ap este compus din vaporii produi prin arderea hidrogenuluiVH H 2O W , umiditatea combustibilului VH 2O , umiditatea aerului i, n unele cazuri, din aburul sau int r apa introduse cu diferite scopuri n zona de ardere VH 2O : H W V0 int r VH 2O = VH 2O + VH 2O + VH 2O + VH 2O .

(3.25)

H VH 2O =

22,4 H r = 0,112 H r , 2 100 22,4 W r = 0,0124W r , 18 100

W VH 2O =

V0 0 V H 2O = 0,0161Vaer , int r V H 2O = 1,24d int r ,

n care dintr este debitul de abur sau ap introdus raportat la 1 kg de combustibil.- 43 -


Prin urmare,0 0 V H 2O = 0,112 H r + 0,0124W r + 0,0161Vaer + 1,24 d int r , m3/kg .

(3.26)

Pentru combustibilii gazoi calculele se efectueaz n baza formulelor (3.15) i a (3.17...19). Gazele triatomice se formeaz la arderea CO, H2S i CmHn, la care se adaog CO2 din combustibil:VRO 2 = 0, 01(CO2 + CO + H2 S + mCm Hn ) , m3/m3 .

(3.27)

Vaporii de ap se formeaz din H2S, H2 i CmHn, la care se adaog umiditatea gazului dg, n g/kg de gaz uscat. De menionat, ns, c n majoritatea cazurilor gazele combustibile nu conin umiditate.n 0 0 VH 2O = 0, 01( H 2 S + H2 + Cm Hn + 0,124dg ) + 0, 0161Vaer , m3/m3. 2

(3.28)

Volumul azotului:0 V N 2 = 0,79Vaer + 0,01N 2 , m3/m3 .

(3.29)

Volumul total de gaze, att pentru combustibilii solizi i lichizi ct i pentru cei gazoi se determin ca suma volumelor componentelor i a aerului excesiv:0 0 V g = V RO 2 + V N 2 + V H 2O + ( 1)Vaer , m3/m3 .

(3.30)

3.4.4. Entalpia produselor arderii

n instalaiile energetice gazele de ardere sunt supuse, n majoritatea absolut a cazurilor, la dou procese termodinamice: transferul izobar de cldur i destinderea adiabat. Cantitatea de cldur, n primul, i lucrul termodinamic, n al doilea, se exprim prin diferena de entalpii a gazelor. Gazele de ardere prezentnd un amestec de gaze perfecte, entalpia lor se calculeaz respectiv:

Tabelul 3.7. Constantele pentru calcularea cldurilor specifice ale unor gaze

Gazul CO2 N2 H2O

a01,61 4 1,289 1,48 9

a10,06 5 0,16 8

a2

a30,062 -0,017 -0,027

0,912 -0,379 0,051 0,090

0 H g = t g VR O2 cC O2 + V N 2 c N 2 + VH0 2O c H 2O + ( 1)Vaerc aer , kJ/kg (kJ/m3)

[

]

(3.31)

n aceast formul tg este temperatura gazelor, n oC;- 44 -


ci cldurile specifice ale gazelor respective, n kJ/(m3K), care pot fi determinate cu relaia: c = a0 + a1 + a2 2 + a3 3 , (3.32)

n care =tg/1000, iar constantele ai se vor lua din tab.3.7.3.4.5.Temperatura teoretic de ardere

Cldura disponibil Qd este compus din:r cldura de ardere a combustibilului Qi , cu excluderea pierderilor la

arderea chimic incomplet q3 i mecanic incomplet q4, ambele n %; Qd = Qir (1

entalpia combustibilului hc cu temperatura tc; entalpia aerului Ha cu temperatura respectiv; entalpia aburului (apei) introdus() Hintr cu entalpia hintr:q3 + q 4 0 ) + cc t c + Vaer c aer t aer + d int r hint r , kJ/kg (kJ/m3) 100

(3.33)

Temperatura teoretic se va calcula cu relaia:tt = Qd , oC Vi ci

(3.34)

n care Vi i ci sunt volumele i cldurile specifice ale componentelor gazelor de ardere.

Probleme1. ntreprinderea a consumat o cantitate de gaz natural echivalent cu 450 t.c.c. Ct a cheltuit ntreprinderea pe combustibil, dac preul gazului cu cldura de ardere de 33,5 MJ/m3 este de 80 USD mia de m3 ? 2. Costul crbunilor cu Wr=12 % este de 650 lei/t. Cum se va schimba preul combustibilului, dac umiditatea lui va crete pn la 17 %?

Rezolvare:- 45 -


1. Calculm preul combustibilului cu umiditatea sporit.c' = c 100 W ' 100 17 = 650 = 615 lei/t. 100 W 100 12

2. Determinm cum se va schimba preul combustibilului umezit. c = c c =650- 615 = 35 lei/t. Rspuns: Costul combustibilului cu umiditatea sporit se va mri cu 35 lei/t. 3. Compoziia deeurilor este urmtoare: Cr=32 %, Hr= 4 %, Sr= 0,5 %, Nr= 2 %, Or = 14 %, Ar=20 % i restul umiditate. Determinai cldura inferioar de ardere a deeurilor. 4. Determinai productivitatea ventilatorului de aer a unui cazan, dac temperatura aerului este 30 0C, consumul de pcur sulfuroas la cazan este de 350 kg/h, coeficientul de exces de aer n focar 1,1. Compoziia pcurii: Cr= 83,8 %, Hr= 11,2 %, Or= 0,5 %, Sr= 1,4 %, Ar= 0,1 %, Wr=3,0 %. Rezolvare: 1.Calculm volumul stoichiometric al aerului necesar arderii.Vao = 0,0889(C r + 0,375 S r ) + 0,265 H r 0,0333O r = 0,0889(83,8 + 0,375 1,4) + + 0,265 11,2 0,0333 0,5 = 10,45m 3 / kg.

2. Determinm productivitatea ventilatorului.VV = BVao 273 + t 273 + 30 = 350 1,1 10,45 = 4465 m3/h. 273 273

Rspuns: Productivitatea ventilatorului de aer va fi 4465 m3/h. 5. Determinai diametrul coului de fum la o CT cu 3 cazane care consum fiecare cte 1,5 t/h crbuni cu Vao=6,43 m3/kg i Vgo=6,79 m3/kg. Coeficientul de exces de aer n gaze la co este de 1,6, temperatura gazelor 140 oC, viteza gazelor 10 m/s. 6. Determinai masa crbunilor cu densitatea n vrac 850 kg/m3 ntr-un vagon cu lungimea de 10 m, limea 5 m i nlimea 3 m, dac unghiul de taluz al crbunilor este de 60 0 i nlimea maxim a stratului de crbuni nu o depete pe cea a vagonului. 7.- 46 -


Determinai volumul rezervoarelor de pcur a unei CT cu 4 cazane, care consum cte 950 kg/h pcur cu densitatea 950 kg/m3. Durata sezonului de nclzire este de 166 zile, coeficientul de utilizare a puterii instalate 0,6. 8. Determinai diametrul conductei de gaz la o CT cu trei cazane, fiecare din ele consumnd 35 000 m3/h. Viteza gazului prin conduct este de 30 m/s, temperatura gazului 20 0C, iar manometrul amplasat pe conduct indic 30 kPa. 9. O central termic consuma n sezonul de nclzire 50 tone de crbuni cu Qri=23 MJ/kg. Cazanele funcionau cu un randament de 0,75. Centrala a fost trecut la gaz natural cu Qi= 33 MJ/m3. Determinai consumul de gaz pe sezon, dac randamentul cazanelor se va mri pn la 0,92. 10. Determinai emisia anual de gaze triatomice a unei Centrale termoelectrice cu 4 cazane care consum cte 90 t/h crbune cu Cr= 43,6 % i Sr= 2,4 %. Coeficientul de utilizare a puterii instalate constituie 0,7. 11. O ntreprindere consum anual 150 t de crbuni cu Qri=20,3 MJ/kg, 300 t de motorin cu Qri=41,8 MJ/kg, 200 t de benzin cu Qri=42,0 MJ/kg i 120 mii m3 de gaz natural cu Qi= 33,5 MJ/m3. Determinai consumul anual de combustibil convenional al ntreprinderii. 12. Determinai temperatura teoretic de ardere a crbunilor cu Qri=21,8 MJ/kg cu Vao=6,3 m3/kg i Vgo=6,7 m3/kg. Coeficientul de exces de aer este 1,25, capacitatea termic medie a gazelor de ardere -1,74 kJ/(m3K), temperatura aerului fierbinte 350 oC, capacitatea termic a aerului -1,45 kJ/(m3K), pierderile de cldur q3+q4=4 %. 13. Determinai cldura cedat de gazele de ardere produse de 5 kg/s combustibil la rcirea de la0 2000 oC pn la 100 oC. Volumul stoichiometric al aerului necesar arderii este Vaer =5,25

m3/kg, compoziia gazelor: VRO2 = 0,95 m3/kg, VN2= 4,15 m3/kg, VH2O=0,58 m3/kg. Coeficientul de exces de aer se va considera constant 1,45.

- 47 -


14. Determinai volumul oxidului de sulf emis n timp de o or de ctre o Central cu 3 cazane n funciune. Consumul de combustibil (pcur cu coninutul de sulf 1,9 %) la un cazan este de 25 t/h. 15. Determinai, n %, creterea pierderilor de cldur cu entalpia gazelor evacuate dac, din cauza infiltrrilor de aer fals, coeficientul de exces de aer a crescut de la 1,25 la 1,45. Temperatura gazelor se va considera constant i egal cu 150 oC. Volumul stoechiometric al0 aerului necesar arderii este Vaer =3,48 m3/kg, compoziia gazelor: VRO2= 0,68 m3/kg, VN2=2,75

m3/kg, VH2O=0,81 m3/kg. 16. Determinai reducerea anual a emisiilor de GES - gaze cu efect de ser (RO 2), prin nlocuirea cu o Central nuclear a unei Centrale termoelectrice cu un consum anual de 2,5 mil. t de crbuni cu Qri=19,5 MJ/kg, dac se tie c emisiile de GES la arderea crbunilor sunt de 100 kg/GJ.

Literarura recomandat1. Ion I. Ioni. Generatoare de abur. Vol.I. Galai.1990, p.178 2. Gh.Duca, T.Sajin, A.Craciun. Combustibili i lubrifiani: Man.pt.uzul studenilor.

Chiinu:USM, 2002. p.125.3. . / ..,

.., .., ... : , 1991. c. 164.4. ( ). ...

., , , 1973, .296.

- 48 -


4. Centrale Termoelectrice cu turbine cu abur4.1. Ciclul Rankine al instalaiilor de turbine cu aburDup ciclul Rankine funcioneaz toate centralele termoelectrice i nucleare care utilizeaz aburul ca fluid de lucru. Schema instalaiei de turbine cu abur (ITA) este prezentat n fig.4.1. Aburul produs n cazanul 1 este ndreptat la turbina 2 unde energia termic 2 se transform n energie mecanic de 3 rotire a arborelui. n generatorul electric 3, 1 care se afl pe acelai arbore cu turbina, ultima se transform n energie electric. Aburul uzat condenseaz n condensatorul 4, dup care prin intermediul pompei 5 5 4 condensul este refulat n cazan. n fig.4.2 este prezentat diagrama TS a ciclului Rankine. n turbin se produce destinderea Figura 4.1. Schema instalaiei de turbin cu abur: adiabat a aburului procesul 1-2. 1 - cazan, 2 turbin, 3 generator electric, 4 condensator, 5 pomp de alimentare. Procesul de condensare 2-3 este izobar i, deoarece are loc asupra aburului saturat umed, el este i izotermic. Creterea presiunii de la p2 la p4 (procesul adiabatic 3-4) are loc n pompa de alimentare 5. n cazan se produce procesul izobar de nclzire a apei 4-a, vaporizare a-b i supranclzire a aburului b1. Cantitatea de cldur primit de fluidul 1 K de lucru n cazan Q1 se exprim prin aria T figurii 4ab1cd, cldura cedat sursei reci n condensator Q2 cu aria 23dc. n lucru a b mecanic A se transform diferena acestora, exprimat cu aria din conturul interior al ciclului 34ab12. Eficiena 4 3 2 ciclului se apreciaz cu randamentul X=0 X=1 termic, care va fi:

~

A t = . Q

d

c

S

Fi

gura 4.2. Ciclul Rankine n diagrama TS.

(4.1) Deoarece A = Q1 Q2, obinem:

- 49 -

Centrale termoelectrice cu turbine cu abur

t = 1

Q2 . Q1

(4.2.)

Formula (4.1) poate fi exprimat de asemenea cu parametrii aburului n ciclu. Ignornd lucrul consumat de pomp (procesul 34), avem:t =h1 h2 , h1 h3

(4.3)

unde h1, h2 i h3 sunt entalpiile fluidului n punctele respective ale ciclului.

4.2. Sporirea eficienei ciclului Rankine4.2.1.Metode

Din (4.1) i (4.2) se vede c creterea randamentului termic al ciclului Rankine poate fi obinut mrind lucrul ciclului A prin mrirea cantitii de cldur obinut de la sursa cald Q1, sau micorarea cldurii cedate sursei reci Q2. Aceste msuri pot fi efectuate pe urmtoarele ci: mrirea presiunii aburului la intrare n turbin; ridicarea temperaturii aburului la intrare n turbin; reducerea presiunii aburului la ieire din turbin; supranclzirea intermediar a aburului; prenclzirea apei de alimentare a cazanului; cogenerarea.

Mrirea parametrilor aburului la intrare n turbin

T

K

P1' P1 1' 1

Avantajul mririi presiunii const n sporirea t, dezavantajele necesarul de conducte i utilaj cu perei mai groi, ceea ce aduce la scumpirea utilajului i, dup cum se vede din fig.4.3, micorarea titlului de vapori la ieire din turbin x< x. Ultimul fapt are dou consecine negative. Cantitatea sporit de picturi de ap n abur, n primul rnd, reduce randamentul intern al turbinei i, n al doilea, provoac eroziunea paletelor ultimelor trepte ale turbinei.- 50 a' a b' b

4 3X=0

2' x' x

2X=1

S

Figura 4.3. Influena creterii presiunii aburului asupra ciclului Rankine.


T1' 1'

T

K

T1 1

Mrirea temperaturii, dimpotriv, ridic titlul de vapori la ieire din turbin (vezi fig.4.4). De aceea se efectueaz mrirea presiunii i concomitent a temperaturii aburului. Dezavantajul acestei metode rezid n necesitatea confecionrii suprafeelor de nclzire ale cazanelor, conductelor i a unor pri ale turbinelor din metale refractare, care sunt scumpe ca atare i reclam cheltuieli mari la prelucrare. Parametrii aburului n energetica contemporan ajung la presiuni de 25 MPa i

a

b

4 3X=0

2 x

2' x'

X=1

S

Fi

gura 4.4. Influena creterii temperaturii aburului asupra ciclului Rankin.

temperaturi de 650 oC.

4.2.3.Reducerea temperaturii aburului la ieire din turbin

Reducerea temperaturii i, de oarece procesul se petrece asupra aburului saturat umed - reducerea presiunii, sporete eficiena ciclului prin micorarea valorii Q2. Aceast reducere ns este limitat de temperatura mediului ambiant. De obicei, pe timp de iarn randamentul centralelor este cu 1...3 % mai mare dect vara. Dezavantajul acestei msuri const, dup cum se vede din fig.4.5, de asemenea i n micorarea valorii titlului de vapori la ieire din turbin.

Fi gura 4.5. Influena reducerii temperaturii aburului la ieire din turbin asupra ciclului Rankine.

- 51 -


4.2.4.Supranclzirea intermediar a aburului

n ciclul cu supranclzire intermediar a aburului (vezi fig.4.6) acesta, dup destinderea parial n partea de nalt presiune a turbinei, se rentoarce la cazan unde temperatura lui se ridic pn la valori de ordinea celei iniiale ntr-un supranclzitor intermediar mai numit i secundar, spre deosebire de cel n care are loc supranclzirea primar a aburului. La parametri foarte mari se utilizeaz dou supranclziri intermediare. Supranclzirea intermediar, dup cum se vede din diagrama TS a ciclului de pe fig.4.7, mrete titlul de vapori la ieire din turbin.CJP SAS CIP

SAP

~

Figura 4.6. Schema ciclului cu supranclzire intermediar a aburului:SAP i SAS supranclzitor primar i respectiv secundar de abur; CIP i CJP cilindru de nalt i respectiv joas presiune ale turbinei; celelalte elemente vezi fig.4.1.

Randamentul termic integral al ciclului se mrete n cazul cnd randamentul ciclului secundar c122 este mai mare dect randamentul ciclului primar 4ab123. Dezavantajul schemei cu supranclzire intermediar const n complexitatea ei. Utilizarea ei a adus la dezicerea de la schemele centralelor cu bare colectoare i trecerea la schemele bloc: mono-bloc (cazan turbina) i dublu-bloc (dou cazane o turbin). Pentru acest ciclu formula (4.3) va avea forma:t =(h1 hc ) + (h1' h2 ) . (h1 h3 ) + (h1' hc )Figura 4.7. Diagrama TS a ciclului cu supranclzire intermediar a aburului.

(4.4)- 52 -


4.2.5.Prenclzirea regenerativ a apei de alimentare

n aceast schem reducerea cantitii de cldur cedat mediului ambiant se obine prin micorarea cantitii de abur supus procesului de condensare n condensator. Cum se vede n fig.4.8, o parte din abur se extrage din treptele intermediare ale turbinei i este utilizat pentru nclzirea apei de alimentare. Debitul aburului de priz nu se regleaz i variaz n funcie de sarcina turbinei. ~ Prenclzitoarele de ap prezint schimbtoare PNV de cldur n majoritatea cazurilor de suprafa, dar se ntlnesc i de amestec. Eficiena regenerrii cldurii crete cu mrirea numrului PRA. n instalaiile contemporane numrul lor PRA ajunge la 12 i mai mult.Figura 4.8. Schema ciclului prenclzirea regenerativ de alimentare:PNV priz ne reglabil de vapori, PRA prenclzitor regenerativ de ap.

Randamentul termic al ciclului cu a apei regenerare poate fi determinat cu formula:t =(h1 h2 ) i (hvi hci ) , h1 haa

cu

(4.5) n care: i este cota-parte a aburului de priz, hvi i hci entalpiile, respectiv, ale aburului de priz i condensatului acestuia, haa entalpia apei de alimentare a cazanului, care se calculeaz cu formula:haa = h3 + i (hvi hci ) 4.2.6.Scheme cu termoficare

(4.6)

Termoficarea reprezint cogenerarea n instalaiile de turbine cu abur, adic producerea simultan combinat n aceiai instalaie a energiei electrice i a energiei termice. Centralele care funcioneaz dup ciclul cu termoficare se numesc Centrale Electrice cu Termoficare (CET). Dac eficiena unei centrale termoelectrice se apreciaz cu randamentul electric:e =Pe , BQir

(4.7)

eficiena CET se apreciaz cu randamentul global:- 53 -


tgl =

Pe + Q , BQir

(4.8)

n care Pe este puterea electric a centralei, n MW; Q puterea termic a centralei, n MW; B consumul de combustibil, n kg/s (m3/s);Qir - cldura de ardere a combustibilului, nIAR

~

MJ/kg (MJ/m3), n funcie de tipul turbinelor utilizate CET pot fi de dou tipuri: cu turbine cu contrapresiune sau vid redus (fig.4.9) i cu turbine cu prize reglabile (fig.4.10).Figura 4.9. Schema CET cu turbin cu contrapresiune:IAR nclzitor de ap de reea.

-

Turbinele cu vid redus au la ieire presiunea p2= 50...70 kPa ce corespunde temperaturii de 70...90 oC. Aburul la ieire din ele, de obicei, se folosete pentru nclzirea apei. Cele cu contrapresiune au p2= 0,12...0,5 MPa. Aburul lor se folosete, att pentru nclzirea apei, ct i n calitate de abur tehnologic. Pentru obinerea presiunilor i temperaturilor mai mari ale aburului tehnologic i a apei de reea aceste turbine pot avea i prize reglabile de abur din treptele intermediare. Randamentul global al acestor cicluri teoretic este egal cu 1, dar ele au un dezavantaj esenial dependena deplin a sarcinii electrice de cea termic i, prin urmare, pot funciona numai n sistemele electroenergetice care au alte posibiliti de reglare a curbei electrice de sarcin. Turbinele cu prize reglabile sunt dotate cu condensator i pot participa la reglarea sarcinii electrice independent de sarcina termic. Randamentul ciclului n

~PRV AT AF IAR

CT RC

Figura 4.10. Schema CET cu turbin cu prize reglabile:PRV priz reglabil de vapori, AT abur tehnologic, AF ap fierbinte, IAR prenclzitor de ap de reea, CT condensat tehnologic, RC rezervor de condensat.

- 54 -


cazul lor ns este mai mic dect a celor precedente. Presiunea n prizele reglabile este de 0,12 MPa, 0,7 MPa, 1,3 MPa i altele. Aburul este utilizat la necesitate: pentru nclzirea apei sau n calitate de abur tehnologic. Cantitatea lui poate fi reglat pentru fiecare tip de consum independent de celelalte i de sarcina electric. n CET cldura reprezint parial un deeu de la producerea energiei electrice.

4.3. Cicluri binareBinare sunt numite ciclurile, care se realizeaz cu doi ageni de lucru. Agenii se utilizeaz la diferite nivele de temperatur. De obicei, unul din fluide este H2O. Cel de alTM TA

T

a' Hg 4' 3' a H 2O

b'

1

~SC

~

2' b

4 3

2

S

a.

b.Figura 4.11. Ciclu binar cu vapori de mercur i ap:a. schema, b. reprezentarea n diagrama Ts; Cz cazan de mercur cu supranclzitor de abur, SC schimbtor de cldur, TM turbina cu vapori de mercur, TA turbina cu abur.

doilea poate lucra la temperaturi mai nalte (mercur, gaz ionizat, gaze de ardere) sau mai joase (freoni, CO2, azot, amoniac). Schema i diagrama Ts a unui ciclu binar sunt prezentate n fig. 4.11. Condensatorul ciclului cu Hg servete ca vaporizator pentru ciclul cu H2O. Aburul ns se supranclzete n acelai cazan n care se vaporizeaz mercurul. Dup cum se vede din diagrama Ts, ciclul cu Hg umple suprafaa de sus a ciclului H2O, astfel, ciclul nsumat se apropie de ciclul Carnot, care n limita dat de temperatur are eficiena maxim posibil. Dar acest ciclu n-a primit rspndire din dou cauze eseniale: prima - mercurul se gsete n natur n cantiti reduse i de aceea este scump i, a doua fiind toxic, mercurul necesit msuri speciale pentru protecia personalului, ceea ce mrete, att investiiile ct i cheltuielile de exploatare. Utilizarea n partea de nalt temperatur a generatorului magnetohidrodinamic, n care energia electric se obine la trecerea unui curent de gaz ionizat prin cmp magnetic, de

- 55 -


asemenea nu a cptat rspndire din cauza dificultii lucrului cu gazele ionizate, care au temperatura peste 2000 oC, i a ctigului nensemnat n ce privete eficiena. Ciclurile mixte cu turbine cu gaze i turbine cu abur, n schimb, au o rspndire foarte larg. Ele vor fi prezentate n capitolul urmtor. Ciclurile cu freoni n partea de joas temperatur, dei au un ir de avantaje, de asemenea deocamdat nu au ieit din stadia de instalaii pilot. Schema unei anexe cu freon la o turbin cu abur este prezentat n fig. 4.12. Ca i n schema precedent, condensatorul fluidului de nalt temperatur servete ca vaporizator al fluidului de temperatur joas freonul. Vaporii de freon sunt supranclzii cu abur. TATF

~SVF

CsF

SC

Figura 4.12. Schema unei instalaii binare freon:

cu

TA turbin cu abur, TF turbin cu vapori de freon, SC schimbtor de cldur, SVF supranclzitor de vapori de freon, CsF condensator de freon.

Avantajul principal al ciclurilor cu freon const n faptul c la aceeai temperatur vaporii de freon ocup un volum de zeci de ori mai mic dect aburul i, prin urmare, dimensiunile turbinei i a condensatorului respectiv, sunt cu mult mai mici. Alt avantaj condensarea freonului la temperatura mediului are loc la suprapresiune, ceea ce exclude necesitatea instalaiilor de creare i meninere a vidului n condensator.

Dezavantajele freonilor constau n instabilitatea lor la temperaturi nalte, caracterul lor ozonoactiv i costul ridicat comparativ cu apa i gazele de ardere.

4.4. Scheme i caracteristici ale CTE4.4.1. Scheme de CTE

n centralele contemporane sunt utilizate integral sau parial toate metodele de sporire a eficienei ciclului. Ciclurile cu termoficare (CET) se folosesc n cazurile existenei sarcinii termice, n lipsa acesteia se construiesc Centrale termoelectrice cu condensare (CTE). Centralele cu parametri relativ mici, fr supranclzire intermediar a aburului sunt realizate dup schema cu bare colectoare (vezi fig.4.13). Dei au randamentul termic comparativ sczut, CTE cu bare colectoare posed un avantaj, care const n fiabilitate mai mare cazanele i turbinele pot funciona independent unele de altele, pe cnd n centralele cu- 56 -


scheme bloc (vezi fig.4.14) oprirea unuia din aceste elemente duce dup sine oprirea obligatorie a celuilalt, blocurile (grupurile) fiind legate ntre ele numai prin liniile serviciilor proprii. Schema de principiu a unei Centrale electrice cu termoficare este prezentat n fig.4.15. Schema este divizat n 8 grupe funcionale. I grup include instalaiile pentru manipularea combustibilului i evacuarea cenuii i zgurii. Instalaiile pentru manipularea combustibilului

Cz1

Cz2

Cz3

BCA

~TA 1 TA 2

~

Figura 4.13. Schema CTE cu bare colectoare:BCA - bar colectoare de abur, TA turbin cu abur, Cz cazan.

~

~

Generarea durabilă a energiei

Documents

Transcript of Generarea durabilă a energiei